Расходование жирных кислот

Поглощение жирных кислот и роль белка, связывающего жирные кислоты. Считается, что жирные кислоты проходят через клеточную мембрану путем диффузии по концентрационному градиенту, хотя вопрос о том, существует ли такой градиент для жирных кислот, остается спорным. В последнее десятилетие получено много сведений относительно структуры и функции семейства белков, связывающих жирные кислоты. Эти белки обладают тканевой специфичностью и составляют от 2% до 5% от общего количества цитозольного белка в сердечной и скелетной мышцах, молочной железе, надпочечниках и мозге. Их роль заключается в обеспечении поглощения и внутриклеточного транспорта жирных кислот, в регуляции клеточного содержания жирных кислот и ацил~КоА. Высокая концентрация таких белков позволяет клеткам поддерживать внутриклеточный фонд жирных кислот, сохранять на низком уровне концентрацию несвязанных жирных кислот. Последние обладают детергентным действием.

Бета – окисление жирных кислот

Начинается с реакции RCOOH + HS~KoA + ATF ------- RCOO~SKoA + AMF + дифосфат

Реакция эта протекает, главным образом, в цитоплазме, в то время как процесс b-окисления жирных кислот происходит в митохондриях. Ацил-КоА не может проникнуть в митохондрию без помощи карнитина. Карнитин является широко распространенным соединением, особенно много его в мышцах. Образуется он из аминокислот лизина и метионина в печени и почках. На наружной стороне внутренней мембраны митохондрий имеется фермент ацилкарнитин трансфераза, который катализирует взаимодействие ацил-КоА с карнитином:

Опосредованный карнитином перенос длинноцепочечного ацил-КоА в митохондриальный матрикс

КПТ_н катализирует образование ацилкарнитинового комплекса из ацил-КоА и карнитина на внутренней стороне наружной митохондриальной мембраны (НММ). Ацилкарнитиновый комплекс затем диффундирует через межмембранное пространство к внутренней митохондриальной мембране (ВММ). Там совместное последовательное действие карнитин:ацилкарнитин транслоказы (Т) и КПТ_в обеспечивает поступление ацил-КоА в митохондриальный матрикс для последующего окисления. Активность КПТ_н ингибируется малонил-КоА на наружной стороне наружной мембраны митохондрий. Наличие специального места связывания малонил-КоА пока четко не установлено.

Ацилкарнитин обладает способностью проходить через внутреннюю мембрану митохондрий. На внутренней поверхности внутренней мембраны митохондрий ацилкарнитин взаимодействует с митохондриальным КоА. В результате в митохондриальном матриксе вновь образуется ацил-КоА, а карнитин высвобожда

Далее митохондриальный ацил-КоА распадается в результате повторяющейся последовательности из четырех реакций окисления с участием флавинадениндинуклеотида (ФАД), гидратации, окисления с участием НАД и тиолиза с участием КоА.

Краткая характеристика ферментов, катализирующих эти реакции:

Ацил~КоА дегидрогеназа. Есть несколько форм этого фермента, каждый из которых специфичен к ацил-КоА с определенной длиной углеводородной цепи. В ходе реакции, катализируемой этим ферментом, отщепляются два атома водорода, в результате образуется еноил-КоА с двойнойсвязью в транс-положении между a и b - углеродными атомами (С₂ и С₃). Образующийся ФАДН₂ впоследствии окисляется в цепи тканевого дыхания с выделением энергии, которая запасается в двух молекулах АТФ.

-Еноил~КоА гидратаза. Фермент катализирует последующую реакцию гидратации по месту двойной связи с образованием 3-L-гидроксиацил~КоА. Гидроксильная группа в составе этого соединения находится у b-углеродного атома.

-b-оксиацил~КоА дегидрогеназа. Катализирует III этап - дегидрирование по месту b-углеродного атома с образованием кетогруппы и НАДН. Последний, окисляясь в цепи тканевого дыхания, приводит к высвобождению энергии, которая запасается в трех молекулах АТФ.

-Тиолаза. Катализирует четвертый этап, в ходе которого от b-кетоацил~КоА отщепляется двухуглеродный фрагмент в виде ацетил~КоА. Оставшийся ацил~КоА укорочен на 2 углеродных атома. Он опять включается в процесс (виток) b-окисления. Образовавшийся ацетил~КоА может поступать в цикл трикарбоновых кислот и, окисляясь там, давать энергию.

Цепь жирной кислоты укорачивается при этом на два атома углерода. Одновременно происходит образование ФАДН₂, НАДН и ацетил-КоА. Укороченный ацил-КоА вступает вновь в следующий цикл окисления, начиная с реакции, катализируемой ацил-КоА-дегидрогеназой. Большой вклад в изучение этой последовательности реакций внесли Дэвид Грин, Северо Очоа и Феодор Линен. Они и назвали этот процесс b-окислением в соответствии с тем, что окислению всегда подвергается b-углеродный атом остатка жирной кислоты (второй углеродный атом ацила).

Последовательность реакций b-окисления жирных кислот: окисление, гидратация, окисление и тиолиз.

Регуляция b-окисления

Конкуренция глюкозы и жирных кислот за использование в качестве субстратов: цикл Рэндэла. Увеличенное окисление жирных кислот ингибирует окисление глюкозы в клетках скелетных мышц и сердца за счет ингибирования пируватдегидрогеназы (соотношение ацетил~КоА/КоА-SH). При голодании такое явление призвано уменьшить утилизацию глюкозы периферическими тканями. Однако у людей с высоким уровнем СЖК это является одной из причин устойчивости к действию инсулина (к примеру, при диабете, беременности). С другой стороны, увеличение окисления глюкозы может ингибировать окисление жирных кислот. Это обусловлено тем, что регуляция поглощения жирных кислот митохондриями преимущественно осуществляется за счет контроля КПТI со стороны малонил-КоА, который выполняет роль аллостерического ингибитора этого фермента. Малонил-КоА - это начальный промежуточный продукт в синтезе жирных кислот, образованный из ацетил-КоА в цитоплазме. Избыток ацетил-КоА в митохондриях не может самостоятельно пройти в цитоплазму. Проход через митохондриальную мембрану становится возможным благодаря цитратному шунту. Ацетил-КоА карбоксилаза катализирует образование малонил-КоА. На эту реакцию расходуется СО₂ и АТФ. Таким образом, условия, которые способствуют липогенезу (наличие большого количества глюкозы), подавляют b-окисление жирных кислот.

Гипергликемия частично подавляет липолиз. Энергетический выход окисления жирных кислот зависит от длины цепи.

Можно подсчитать энергетический выход b-окисления жирных кислот. В каждом цикле реакций ацил-КоА укорачивается на 2 углерода и образуется по одной молекуле ФАДН₂, НАДН^.Н⁺ и ацетил-КоА.

При окислении каждого из этих НАДН через дыхательную цепь образуется три молекулы АТФ, тогда как при окислении каждого ФАДН₂ - две молекулы АТФ, потому что в этом случае электроны поступают в цепь на уровне кофермента Q (см. "тканевое дыхание"). Напомним, что окисление ацетил-КоА в цикле трикарбоновых кислот дает 12 молекул АТФ. Таким образом, энергетический выход 1 цикла b -окисления составляет 5 молекул АТФ + 12 молекул АТФ. Для подсчета энергетического выхода b-окисления конкретной жирной кислоты с четным числом углеродных атомов необходимо знать количество циклов b-окисления (оно составляет n/2 - 1, где n - число углеродных атомов в составе жирной кислоты) и молекул образующихся ацетил-КоА (оно составляет n/2). Из общей суммы АТФ необходимо вычесть одну молекулу АТФ, которая была затрачена на активацию жирной кислоты в начале всего процесса.

Реакции b-окисления тесно сопряжены друг с другом. Промежуточные продукты неизбежно переходят из одной реакции в другую; кроме наличия субстратов других контролирующих механизмов для этих реакций нет. Уровень b-окисления может возрастать при механической мышечной работе, при уменьшении соотношения ацетил-КоА/ацил-КоА, НАДН/НАД⁺ и ФАДН₂/ФАД.

Энергетический выход b-окисления на примере пальмитиновой кислоты. Образование АТФ (2 АТФ/ФАДН₂; 3 АТФ/НАДН; 12 АТФ/ацетил~КоА; таким образом для пальмитоил~КоА (жирная кислота с 16 С): 7 ФАДН₂, 7 НАДН и 8 ацетил-КоА = 131 АТФ.

Расход АТФ на активацию - 1 АТФ (используется энергия гидролиза двух макроэргических связей), в ходе которой пальмитат превращается в пальмитоил-КоА. Таким образом, чистый энергетический выход для окисления пальмитата равен 130 АТФ.

Жирные кислоты с очень длинной цепью. Особенностью метаболизма жирных кислот в пероксисомах является расщепление тех из них, которые имеют очень длинную углеводородную цепь или другие необычные радикалы, неспособные подвергаться эффективному окислению в митохо ндриях. Укорочение алкильной цепи в пероксисомах происходит до тех пор, пока не образуется ацил-КоА со средней длиной цепи. Это обусловлено субстратной специфичностью пероксисомальной ацил-КоА дегидрогеназы. Образующийся ацил-КоА с С-8 впоследствии подвергается дальнейшему окислению в митохондриях.

Первоначальная стадия дегидрирования в ходе пероксисомального окисления жирных кислот протекает с образованием Н₂О₂, а не ФАДН₂. Перекись водорода удаляется с помощью каталазы. Все последующие реакции аналогичны происходящим в митохондриях, хотя катализируются они изоферментами пероксисом.

Окисление дикарбоновых кислот. В пероксисомах происходит также окисление дикарбоновых кислот, образующихся в ходе w-окисления. Само w-окисление протекает в эндоплазматическом ретикулуме и занимает малую долю в окислительных процессах, которым подвергаются жирные кислоты. При w-окислении гидроксилирование происходит на метильном конце жирнокислотной цепи; в результате образуется дикарбоновая кислота.

Окисление жирных кислот с разветвленной цепью. Растения и молочные продукты содержат фитановую кислоту. Это жирная кислота, имеющая в своем составе 20С и 4 метильные группы. Окисление таких жирных кислот становится возможным в организме благодаря пероксисомальному ферменту - a-гидроксилазе. Недостаток этого фермента сопровождается развитием болезни Рефзума.

Болезнь Рефзума. При болезни Рефзума в тканях и жидкостях организма накапливается

фитановая кислота - необычная жирная кислота с разветвленной цепью. Она образуется из фитола, который поступает в организм с растительной пищей, богатой хлорофиллом. В норме фитановая кислота в пероксисомах подвергается a-окислению. В ходе этого процесса она укорачивается на один углеродный атом с образованием пристановой кислоты и СО₂. Пристановая кислота, подвергаясь b-окислению, расщепляется на 3 молекулы ацетил-КоА, 3 молекулы пропионил-КоА и 1 молекулу изобутирил-КоА. У людей с болезнью Рефзума имеется генетический дефект образования рецептора, обусловливающего пероксисомальную локализацию фермента - фитанат гидроксилазы. Интересно, что последующая стадия превращения пристановой кислоты при этом не нарушена. Клиническая симптоматика у таких больных связана с развитие пигментной дегенерации сетчатки, хронической полинейропатии и мозжечковой атаксии, повышением концентрации белка в цереброспинальной жидкости.